Датчики, усилители постоянного тока и исполнительные устройства. Асинхронный двигатель

     Тахогенераторы служат для получения напряжения, пропорционального скорости вращения, и их используют как электрические датчики угловой скорости. В зависимости от вида выходного напряжения их разделяют на тахогенераторы постоянного и переменного тока.

     Тахогенераторы  постоянного тока конструктивно подобны

электродвигателям постоянного тока и выполнены  с возбуждением как от постоянных магнитов, так и от электромагнитов.

     Тахогенераторы  переменного тока разделяют на синхронные и асинхронные.

     Тахогенератор синхронного типа представляет собой небольшую синхронную машину с ротором в виде постоянного магнита. Выходное напряжение такого тахогенератора имеет и амплитуду, и частоту, пропорциональные скорости вращения. Обычно оно выпрямляется полупроводниковым выпрямителем.

     Выходное  напряжение этого тахогенератора характеризуется переменной частотой, что затрудняет использование его в обычных схемах переменного тока, и, кроме того, тахогенератор нечувствителен к изменению направления вращения.

     От  этих недостатков свободен асинхронный  тахогенератор. Конструкция асинхронного тахогенератора подобна конструкции двухфазного двигателя с тонкостенным ротором. Обмотка возбуждения тахогенератора питается от сети переменного тока, а в выходной обмотке наводится э. д. с. переменного тока с частотой сети и амплитудой, пропорциональными величине скорости. При изменении направления вращения фаза выходного напряжения меняется на обратную.

     Термопары применяют для точного измерения высоких температур (100-2000° С). Особенно широко их используют в металлургии для контроля и автоматического регулирования большинства тепловых процессов. Крупными преимуществами термопар, помимо возможности измерения высоких температур, являются их сравнительно малая инерционность, простота и очень малые габариты получаемых датчиков.

     Термопары характеризуются следующими основными свойствами. Абсолютная величина т. э. д. с. не зависит ни от распределения температур вдоль однородных проводников, ни от порядка ее отсчета. Это означает, что величина т. э. д. с. не изменится, если, например, нагревать какую-то произвольную точку проводника, не меняя при этом температур горячего и холодного спаев. 

Датчики тока. 

     У датчиков тока изменение регулируемого  параметра приводит к изменению  тока через датчик. Основным типом  таких датчиков являются фотоэлементы, хотя некоторые из них служат также датчиками напряжения.

     Принцип работы фотоэлементов основан на изменении проводимости или на возникновении э. д. с. под действием светового потока. В первом случае происходит изменение тока в цепи фотоэлемента, который питается от постороннего источника напряжения. Следовательно, фотоэлемент осуществляет преобразование светового потока в электрическую величину - ток. Это явление называют фотоэлектрическим эффектом.

К электродам фотоэлемента подводится анодное напряжение от отдельного источника. Благодаря световому потоку из катода вырываются электроны, которые под действием электрического поля движутся от катода к аноду. У некоторых фотоэлементов внутри колбы создается вакуум. Их называют вакуумными. Для усиления фототока в колбу фотоэлемента иногда вводят небольшое количество инертного газа (аргона). Такие фотоэлементы называют газонаполненными. Возможность зажигания самостоятельного разряда - существенный недостаток газонаполненного фотоэлемента. 

Датчики АУС. 

     В настоящее время промышленность выпускает комплекс элементов и устройств электронной и пневматической агрегатных унифицированных систем автоматического регулирования и контроля (АУС). Агрегатный принцип построения систем и унификация входных и выходных параметров позволяют из сравнительно небольшого числа стандартных блоков компоновать различные схемы автоматического контроля и регулирования.

     В электронной агрегатной унифицированной  системе (ЭАУС) широко применяют датчики постоянного тока с унифицированным выходным сигналом 0-5 (или 0,5 - 5) мА, а также датчики переменного тока с неунифицированным выходным сигналом. В пневматической агрегатной унифицированной системе часто используют пневматические датчики, у которых выходное давление изменяется от 20 до 100 кн/м² (0,2-1 кГ/см²). Для связи электронных и пневматических устройств служат специальные электропневматические и пневмоэлектрические преобразователи.

     В большинстве пневматических датчиков входной сигнал преобразуется в  перемещение заслонки, которая управляет  истечением воздуха из сопла, изменяя давление в камере, расположенной перед соплом. Принцип работы таких устройств описан ниже при рассмотрении пневматических усилителей, являющихся часто составными элементами пневматических датчиков. 

Струнные  датчики. 

     Для измерения неэлектрических величин применяется и частотный метод, при котором измеряемая величина преобразуется в переменное напряжение, частота которого зависит от этой величины. Достоинством частотного метода измерения является то, что в процессе передачи и дальнейшей обработки частотного выходного сигнала не возникает дополнительной погрешности.

     Наибольшее  развитие для преобразования неэлектрических  величин в частоту получили струнные датчики. Принцип действия струнного  датчика основан на зависимости  собственной частоты колебаний натянутой струны длиной и массой от силы натяжения. Струнные датчики используются в приборах для измерения силы, давления, расхода, температуры и др. При воздействии на струну измеряемой силы струна практически не растягивается, поэтому первичный преобразователь (например, мембрана в датчике давления) работает, почти не деформируясь. 

Магнитоупругие  датчики. 

Принцип действия магнитоупругих датчиков основан  на магнитоупругом эффекте - физическом явлении, проявляющемся в виде изменения магнитной проницаемости ферромагнитного материала в зависимости от механических напряжений в нем. Магнитоупругие датчики используются для измерения силовых параметров: усилий, давлений, крутящих и изгибающих моментов, механических напряжений и т.п. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.2 Усилители постоянного тока. 

      В устройствах автоматического управления, регулирования и контроля часто регистрируются величины, изменение которых во времени происходит чрезвычайно медленно, т.е. их частота составляет всего лишь единицы или даже доли герца. Для усиления таких медленно изменяющихся напряжений или токов необходимы усилители, полоса пропускания которых имеет нижнюю границу f_н = 0. Усилители, обладающие этим свойством, носят название усилителей постоянного тока (УПТ) независимо от того, какая из величин – ток или напряжение – подлежит усилению, а также независимо от значения верхней частоты рабочего диапазона частот. При этом необходимо подчеркнуть, что обычно основная информация заключается не в исходном постоянном напряжении, а в его последующих изменениях, не важно в каких, медленных или быстрых (с частотами до f_в).

      При усилении слабых электрических сигналов одного каскада обычно оказывается  недостаточно, поэтому приходится применять, как и в случае усилителя переменных сигналов, усилитель, состоящий из нескольких каскадов. Соединение каскадов между собой, не представляющее сложности в усилителях переменного напряжения, при усилении постоянного тока или напряжения сопряжено с преодолением больших сложностей. Это, прежде всего, обусловлено тем, что в усилителях постоянного тока для связи выхода предшествующего каскада с входом последующего не могут быть применены ни трансформаторы, ни разделительные конденсаторы. Поэтому единственной схемой межкаскадной связи, пригодной для усилителей постоянного тока прямого усиления, является схема гальванической связи. Такая связь вносит в усилитель постоянного тока ряд специфических особенностей, затрудняющих как построение усилителя, так и его эксплуатацию.

      Усиление  постоянных напряжений и токов можно  осуществляется двумя принципиально различными методами: непосредственно по постоянному току и с предварительным преобразованием постоянного тока в переменный. В соответствии с этим усилители постоянного тока делятся на два основных типа: усилители прямого усиления и усилители с преобразованием. 

      УПТ прямого усиления.

      Для межкаскадной связи пригодны элементы, сопротивление которых в широком  диапазоне частот от f_н = 0 и выше остаются практически неизменными. В качестве таких элементов могут быть использованы резисторы, стабилитроны, диоды. Применяется также непосредственное присоединение выхода предыдущего каскада к входу последующего.

      Уменьшение  напряжения, получаемое за счет использования простейшего резистивного делителя нецелесообразно. В этом случае, во столько раз уменьшается постоянное напряжение на базе, во столько же раз уменьшается суммарный коэффициент усиления всей схемы. Для того чтобы это не происходило, можно в качестве верхнего плеча делителя напряжения включать источник ЕДС или стабилитрон, или в нижнее плечо – источник тока  Необходимо отметить, что включение стабилитрона предпочтительнее, чем ток эмиттера существенно больше тока базы и стабилитрон работает в лучшем режиме. 

Операционные  усилители. 

      Операционным  усилителем (ОУ) называется усилитель, который характеризуется определенным набором параметров, позволяющих ему выполнять математические операции (сложения, вычитания, интегрирования и т.д. и т.п.). Это свойство и определило наименование «операционный усилитель». Первоначально усилители такого класса предназначались для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах. Основными параметрами, обеспечивающими его «математические способности», являются:

• большой коэффициент усиления по напряжению (в идеале К Þ ¥);
• большое входное сопротивление (в идеале R_вх Þ ¥);
• нижняя частота усиливаемых сигналов f_н = 0.

      Последний параметр указывает на то, что ОУ должен быть усилителем постоянного тока. Объясняется это требование тем, что одной из распространенных математических операций есть действия с константами, например, сложения переменных с константами. В этом случае математическая переменная будет реализовываться изменяющимся сигналом, константа – постоянным. В настоящее время сфера применения ОУ значительно расширилась и во многих случаях требование f_н = 0 не является обязательным и даже иногда вредным. Однако превратить УПТ в усилитель переменного тока можно достаточно просто (например, вводя разделительные емкости). Поэтому большинство массовых операционных усилителе выпускаются как усилители постоянного тока.

      Операционные  усилители имеют два входа (инвертирующий  и не инвертирующий) и один выход. Таким образом, ОУ является дифференциальным усилителем. Это позволяет при «математическом» варианте использования усилителя достаточно просто осуществить операцию вычитания, при иных – улучшить многие параметры устройства, например, избавляться от синфазного сигнала, реализовывать цепи как положительной так и отрицательной обратной связи и т.п. На

      Первые  операционные усилители выполнялись  на электронных лампах, в настоящее  время они изготовляются в  интегральном исполнении в виде микросхем (МС). Благодаря своим отличным характеристикам и параметрам, универсальности применения, низкой стоимости, операционные усилители в настоящее время вытесняют транзисторные схемы при проектировании аналоговых устройств. Многие МС, выполняющие сложные функции по обработке аналоговых сигналов, строятся на основе схем, близких к схемам ОУ, либо включают в себя ОУ в виде собственных фрагментов.  

      Типы  ОУ.

      В настоящее время промышленность выпускает сотни типов ОУ. Все они в первом приближении соответствуют идеальному ОУ – имеют очень большой коэффициент усиления, широкую полосу пропускания, большое входное сопротивление и т.д. Все ОУ, в принципе, взаимозаменяемы, это значит, что в типовых схемах усилителей, генераторов, фильтров и т.д. в подавляющем большинстве случаев можно использовать любые ОУ.